DIY 12AX7 Vacuümbuis Audio Versterker – Klassieke Geluid Bouw

ONDERDELEN EN MATERIALEN

• Eén 12AX7 dubbele triode vacuümbuis
• Twee krachttransformatoren, 120VAC stap‑down naar 12VAC (Radio Shack catalogus # 273-1365, 273-1352, of 273-1511).
• Brug gelijkrichter module (Radio Shack catalogus # 276-1173)
• Elektrolytische condensator, minimaal 47 µF, met een werkspanning van ten minste 200 volt DC.
• Automotive ontstekingspoel
• Audio luidspreker, 8 Ω impedantie
• Twee 100 kΩ weerstanden
• Eén 0,1 µF condensator, 250 WVDC (Radio Shack catalogus # 272-1053)
• "Lage‑spanning AC voeding" zoals getoond in AC Experimenten hoofdstuk
• Eén wisselschakelaar, SPST ("Single‑Pole, Single‑Throw")
• Radio, cassette speler, muzikaal toetsenbord, of andere bronnen van audio spanningssignaal

Waar kunt u een 12AX7 buis verkrijgen, vraagt u zich af? Deze buizen zijn zeer populair voor gebruik in de "pre‑versterker" trappen van veel professionele elektrische gitaarversterkers.

Ga naar een goede muziekwinkel en u zult ze beschikbaar vinden voor een bescheiden prijs ($12 VS of minder). Een Russische fabrikant genaamd Sovtek maakt deze buizen nieuw, dus u hoeft niet te vertrouwen op "New‑Old‑Stock" (NOS) componenten overgebleven van uitgediende Amerikaanse fabrikanten.

Dit buismodel was in zijn tijd zeer populair en kan in oude "buis‑achtige" elektronische testapparatuur (oscilloscopen, oscillators) gevonden worden als u toegang heeft tot dergelijke apparatuur. Ik raad echter ten zeerste aan een nieuwe te kopen in plaats van kans te nemen met buizen geborgen uit antieke apparatuur.

Het is belangrijk om een elektrolytische condensator te selecteren met voldoende werkspanning (WVDC) om de uitgang van deze versterker's voedingscircuit te weerstaan (ongeveer 170 volt). Ik raad ten zeerste aan een condensator te kiezen met een spanningswaarde wel ver boven de verwachte werkspanning, om onverwachte spanningspieken of andere gebeurtenissen die de condensator kunnen belasten, te kunnen aan.

Ik kocht de Radio Shack elektrolytische condensator assortiment (catalogus # 272-802), en het bevatte toevallig twee 47 µF, 250 WVDC condensatoren. Als u niet zo gelukkig bent, kunt u dit circuit bouwen met vijf condensatoren, elk geschikt voor 50 WVDC, ter vervanging van één 250 WVDC eenheid:

 

Houd er rekening mee dat de totale capaciteit voor dit vijf‑condensator netwerk 1/5, of 20%, van de waarde van elke condensator zal zijn. Ook, om gelijke lading van condensatoren in het netwerk te garanderen, zorg dat alle condensatorwaarden (in µF) en alle weerstandswaarden identiek zijn.

Een automotive ontstekingspoel is een speciaal‑doel hoge‑spannings transformator gebruikt in auto‑motoren om tienduizenden volt te produceren om de "vonken" te laten springen. In dit experiment wordt het (zeer onconventioneel, zou ik toevoegen!) gebruikt als een impedantie‑matchende transformator tussen de vacuümbuis en een 8 Ω audio luidspreker.

De specifieke keuze van "poel" is niet kritiek, mits het in goede werkingstaat is. Hier is een foto van de poel die ik voor dit experiment gebruikte:

 

De audio luidspreker hoeft niet extravagant te zijn. Ik heb kleine "boekenkast" speakers, auto‑speakers (6"x9"), en een grote (100 watt) 3‑weg stereo speaker gebruikt voor dit experiment, en ze werken allemaal prima.

Gebruik onder geen omstandigheden een set koptelefoons, aangezien de ontstekingspoel geen elektrische isolatie biedt tussen de 170 volt DC van de "plaat" voeding en de luidspreker, wat de luidsprekerverbindingen tot die spanning ten opzichte van grond verheft. Aangezien het plaatsen van draden op uw hoofd met hoge spanning ten opzichte van grond zeer gevaarlijk zou zijn, gebruik geen koptelefoons!

U hebt een bron van audio‑frequentie AC nodig als invoersignaal voor deze versterkerschakeling. Ik raad een kleine batterij‑gevoede radio of muzikaal toetsenbord aan, met een geschikte kabel aangesloten op de "koptelefoon" of "audio uit" jack om het signaal naar uw versterker te brengen.

NASLAGWERKEN

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, hoofdstuk 13: "Electron Tubes"

Lessons In Electric Circuits, Volume 3, hoofdstuk 3: "Diodes and Rectifiers"

Lessons In Electric Circuits, Volume 2, hoofdstuk 9: "Transformers"

LEERDOELEN

• Een vacuümbuis (triode) gebruiken als audio versterker
• Transformatoren gebruiken in zowel stap‑down als stap‑up werking
• Hoe een hoge‑spanning DC voeding te bouwen
• Een transformator gebruiken om impedanties te matchen

SCHEMA

 

 

ILLUSTRATIE

 

INSTRUCTIES

Welkom in de wereld van vacuümbuis elektronica! Hoewel niet precies een toepassing van halfgeleidertechnologie (voeding gelijkrichter uitgezonderd), wordt dit circuit gebruikt als inleiding tot vacuümbuis technologie, en een interessante toepassing voor impedantie‑matchende transformatoren. Het moet worden opgemerkt dat het bouwen en bedienen van dit circuit werk met dodelijke spanningen inhoudt!

U moet de uiterste zorgvuldigheid betrachten tijdens het werken met dit circuit, aangezien 170 volt DC in staat is u te electrocuteren!! Het wordt aanbevolen dat beginners gekwalificeerde assistentie zoeken (ervaren electriciens, elektronica technici, of ingenieurs) als u dit probeert te bouwen.

WAARSCHUWING: raak geen draden of klemmen aan terwijl de versterkerschakeling onder spanning staat! Als u op enig moment contact met het circuit moet maken, schakel de "plaat" voedingsschakelaar uit en wacht tot de filtercondensator onder de 30 volt is ontladen voordat u een deel van het circuit aanraakt. Als u circuitspanningen meet met de stroom aan, gebruik dan waar mogelijk slechts één hand om de mogelijkheid van een arm‑tot‑arm elektrische schok te vermijden.

De hoge‑spannings voeding bouwen: Vacuümbuizen vereisen een redelijk hoge DC spanning toegepast tussen plaat en kathode terminalen om efficiënt te functioneren. Hoewel het mogelijk is om de versterkerschakeling beschreven in dit experiment op zolang 24 volt DC te laten werken, zal de vermogensuitgang minuscuul zijn en de geluidskwaliteit slecht.

De 12AX7 triode is geschikt voor een maximum "plaatspanning" (spanning toegepast tussen plaat en kathode terminalen) van 330 volt, dus onze voeding van 170 volt DC gespecificeerd hier is wel binnen die maximumgrens. Ik heb deze versterker op zo hoog als 235 volt DC bedreven en ontdekte dat zowel geluidskwaliteit als intensiteit licht verbeterden, maar niet genoeg in mijn inschatting om de additionele gevaar voor experimenters te rechtvaardigen.

De voeding heeft eigenlijk twee verschillende stroomuitgangen: de "B+" DC uitgang voor plaatvermogen, en de "filament" stroom, wat slechts 12 volt AC is. Buizen vereisen stroom toegepast op een klein filament (soms een verwarmere genoemd) om te functioneren, aangezien de kathode heet genoeg moet zijn om thermisch elektronen te emitteren, en dat gebeurt niet bij kamertemperatuur!

Het gebruik van één krachttransformator om huishoudelijke 120 volt AC stroom naar beneden te brengen naar 12 volt AC voorziet in lage‑spanning voor de filamenten, en een andere transformator aangesloten in stap‑up werking brengt de spanning terug naar 120 volt. U vraagt u misschien af, "waarom de spanning weer naar 120 volt met een andere transformator brengen? Waarom niet gewoon afstikken van het wandstopcontact om 120 volt AC stroom direct te verkrijgen, en dan gelijkrichten in 170 volt DC?"

Het antwoord op dit is tweevoudig: ten eerste, het doorlaten van stroom door twee transformators beperkt inherent de hoeveelheid stroom die in een toevallige kortsluiting aan de plaat‑kant van de versterkerschakeling gestuurd kan worden. Ten tweede, het isoleert het plaatcircuit elektrisch van het bedradingssysteem van uw huis. Als we de wandstopcontactstroom met een diodebrug zouden gelijkrichten, zou het beide DC terminalen (+ en -) verhogen in spanning ten opzichte van de veiligheidsaarding van uw huishoudelijke elektrische systeem, wat het schokrisico verhoogt.

Let op de wisselschakelaar verbonden tussen de 12‑volt wikkelingen van de twee transformatoren, gelabeld "Plaat voedingsschakelaar." Deze schakelaar regelt stroom naar de stap‑up transformator, daarmee de plaatspanning aan de versterkerschakeling controlerend. Waarom niet gewoon de hoofdstroomschakelaar verbonden met de 120‑volt stekker gebruiken? Waarom een tweede schakelaar om de DC hoge spanning uit te schakelen, wanneer het uitschakelen van één hoofschakelaar hetzelfde zou bereiken?

Het antwoord ligt in de juiste vacuümbuis werking: net als gloeilampen, "verslijten" vacuümbuizen wanneer hun filamenten herhaaldelijk aan‑ en uitgezet worden, dus het hebben van deze additionele schakelaar in het circuit stelt u in staat de DC hoge spanning uit te schakelen (voor veiligheid bij wijzigen of afstellen van het circuit) zonder het filament uit te schakelen. Ook is het een goede gewoonte om te wachten tot de buis de volle werkstemperatuur bereikt heeft voordat plaatspanning wordt toegepast, en deze tweede schakelaar stelt u in staat de toepassing van plaatspanning uit te stellen tot de buis tijd heeft gehad om de werkstemperatuur te bereiken.

Tijdens de werking zou u een voltmeter moeten hebben aangesloten op de "B+" uitgang van de voeding (tussen de B+ terminal en "grond"), continu voorzien van indicatie van de voedingsspanning. Deze meter zal u tonen wanneer de filtercondensator onder de schokgevaarsgrens (30 volt) is ontladen wanneer u de "Plaat voedingsschakelaar" uitschakelt om de versterker te service.

De "grond" terminal getoond op de DC uitgang van het voedingscircuit hoeft niet met aarding verbonden te zijn. Het is slechts een symbool dat een gemeenschappelijke verbinding toont met een corresponderende grond terminal symbool in de versterkerschakeling. In het circuit dat u bouwt, zal er een stuk draad zijn die deze twee "grond" punten met elkaar verbindt. Zoals altijd, is de aanwijzing van bepaalde gemeenschappelijke punten in een circuit door middel van een gedeeld symbool standaard praktijk in elektronische schema's.

U zult merken dat het schematische diagram een 100 kΩ weerstand in parallel met de filtercondensator toont. Deze weerstand is tamelijk noodzakelijk, aangezien het de condensator een pad voor ontlading biedt wanneer de AC stroom wordt uitgezet. Zonder deze "bleeder" weerstand in het circuit, zou de condensator waarschijnlijk een gevaarlijke lading lang na "power‑down" behouden, wat een additioneel schokgevaar voor u vormt.

In het circuit dat ik bouwde — met een 47 µF condensator en een 100 kΩ bleeder weerstand — was de tijdconstante van dit RC circuit een korte 4,7 seconden. Als u toevallig een grotere filtercondensatorwaarde vindt (goed voor het minimaliseren van ongewenste voeding "zoem" in de luidspreker), zult u een corresponderend kleinere waarde van bleeder weerstand moeten gebruiken, of langer wachten voor de spanning af te bloeden elke keer dat u de "Plaat voeding" schakelaar uitschakelt.

Zorg ervoor dat u de voeding veilig heeft gebouwd en betrouwbaar werkt voordat u probeert de versterkerschakeling ermee te voeden. Dit is goede schakelbouw‑praktijk in het algemeen: bouw en troubleshoot de voeding eerst, bouw dan het circuit dat u ermee wilt voeden. Als de voeding niet functioneert zoals het hoort, dan zal het gevoede circuit ook niet, hoe goed het ook ontworpen en gebouwd mag zijn.

De versterker bouwen: Een van de problemen met het bouwen van vacuümbuis circuits in de 21e eeuw is dat voetjes voor deze componenten moeilijk te vinden kunnen zijn. Gegeven de beperkte levensduur van de meeste "ontvanger" buizen (een paar jaar), gebruikten de meeste "buis‑achtige" elektronische apparaten voetjes voor het monteren van de buizen, zodat ze gemakkelijk verwijderd en vervangen konden worden.

Hoewel buizen nog steeds verkregen kunnen worden (van muziekwinkels) met relatieve gemak, zijn de voetjes waar ze in pluggen aanzienlijk schaarser — uw lokale Radio Shack zal ze niet op voorraad hebben! Hoe bouwen we dan circuits met buizen, als we misschien geen voetjes voor ze kunnen verkrijgen?

Voor kleine buizen kan dit probleem omzeild worden door direct korte lengtes 22‑gauge massieve koperdraad te solderen aan de pennen van de buis, wat u in staat stelt de buis in een solderloos breadboard te "pluggen". Hier is een foto van mijn buisversterker, de 12AX7 in een geïnverteerde positie (pen‑zijde‑omhoog) getoond.

Negeer de 10‑segment LED balkgrafiek links en de 8‑positie DIP schakelaar montage rechts in de foto, aangezien dit overgebleven componenten zijn van een digitaal circuit experiment eerder op mijn breadboard gemonteerd.

 

Een voordeel van het monteren van de buis in deze positie is de gemakkelijkheid van pinidentificatie, aangezien de meeste "pen verbindingsdiagrammen" voor buizen getoond worden vanuit een bodemweergave:

 

U zult opmerken op het versterkerschema dat beide triode‑elementen binnen de glazen behuizing van de 12AX7 parallel gebruikt worden: plaat verbonden met plaat, grid verbonden met grid, en kathode verbonden met kathode. Dit wordt gedaan om de vermogensuitgang van de buis te maximaliseren, maar is niet nodig voor het demonstreren van basiswerking. U mag slechts één van de triodes gebruiken, voor eenvoud, als u wilt.

De 0,1 µF condensator getoond op het schema "koppelt" de audio signaalbron (radio, muzikaal toetsenbord, etc.) aan de buis's grid(s), wat AC doorlaat maar DC blokkeert. De 100 kΩ weerstand zorgt ervoor dat de gemiddelde DC spanning tussen grid en kathode nul is, en niet kan "drijven" naar een hoog niveau. Typisch worden bias circuits gebruikt om de grid licht negatief ten opzichte van grond te houden, maar voor dit doel zou een bias circuit meer complexiteit introduceren dan de waarde.

Toen ik mijn versterkerschakeling testte, gebruikte ik de uitgang van een radio‑ontvanger, en later de uitgang van een compact disc (CD) speler, als de audio signaalbron. Met een "mono"‑naar‑"phono" connector verlengsnoer aangesloten op de koptelefoonjack van de ontvanger/CD speler, en krokodillenclip jumper draden verbindend de "mono" punt van de snoer met de invoerklemmen van de buisversterker, was ik in staat om eenvoudig audio signalen van variërende amplitude naar de versterker te sturen om de prestaties over een breed bereik van condities te testen:

 

Een transformator is essentieel aan de uitgang van de versterkerschakeling voor "matching" van de impedanties van vacuümbuis en luidspreker. Aangezien de vacuümbuis een hoge‑spanning, lage‑stroom apparaat is, en de meeste luidsprekers lage‑spanning, hoge‑stroom apparaten zijn, zou de mismatch tussen hen resulteren in zeer lage audio vermogensuitgang als ze direct verbonden waren.

Om de hoge‑spanning, lage‑stroom bron met succes aan de lage‑spanning, hoge‑stroom belasting aan te passen, moeten we een stap‑down transformator gebruiken. Aangezien de Thevenin weerstand van het vacuümbuiscircuit zich in de tientallen duizenden ohms bevindt, en de luidspreker slechts ongeveer 8 ohms impedantie heeft, zullen we een transformator met een impedantieverhouding van ongeveer 10.000:1 nodig hebben.

Aangezien de impedantieverhouding van een transformator het kwadraat is van de wikkelverhouding (of spanningverhouding), zoeken we een transformator met een wikkelverhouding van ongeveer 100:1. Een typische automotive ontstekingspoel heeft ongeveer deze wikkelverhouding, en is ook geschikt voor extreem hoge spanning op de hoge‑spanningswikkeling, wat het goed geschikt maakt voor deze toepassing.

Het enige nadeel van het gebruik van een ontstekingspoel is dat het geen elektrische isolatie biedt tussen primaire en secundaire wikkeling, aangezien het apparaat eigenlijk een autotransformator is, met elke wikkeling een gemeenschappelijke klem aan één einde delend. Dit betekent dat de luidspreker draden op een hoge DC spanning ten opzichte van circuitgrond zullen zijn.

Zolang we dit weten, en die draden tijdens werking niet aanraken, zal er geen probleem zijn. Ideaal zou de transformator volledige isolatie bieden alsook impedantie‑matching, en de luidspreker draden zouden perfect veilig zijn om tijdens gebruik aan te raken.

Onthoud, maak alle verbindingen in het circuit met de stroom uitgezet! Na het visueel controleren van verbindingen en met een ohmmeter om te verzekeren dat het circuit is gebouwd volgens het schematische diagram, schakel stroom in op de filamenten van de buis en wacht ongeveer 30 seconden tot het de werkstemperatuur bereikt heeft.

Beide filamenten zouden een zacht, oranje gloed moeten uitstralen, zichtbaar vanaf zowel de boven‑ als onderkant van de buis. Zet het volume van uw radio/CD speler/muzikaal toetsenbord signaalbron op minimum, schakel dan de plaat voedingsschakelaar in.

De voltmeter die u verbonden heeft tussen de voeding's B+ uitgangsklem en "grond" zou de volle spanning moeten registreren (ongeveer 170 volt). Nu, verhoog de volume regeling op de signaalbron en luister naar de luidspreker. Als alles goed is, zou u de juiste geluiden helder door de luidspreker moeten horen.

Troubleshooting dit circuit: Het beste gedaan met de gevoelige audio detector beschreven in de DC en AC hoofdstukken van deze Experiments volume.

Sluit een 0,1 µF condensator in serie met elke meetleiding om DC van de detector te blokkeren, sluit dan één van de meetleidingen aan op grond, terwijl u de andere meetleiding gebruikt om audio signaal op verschillende punten in het circuit te controleren. Gebruik condensatoren met een hoge spanningswaarde, zoals de een gebruikt op de invoer van de versterkerschakeling:

 

Het gebruik van twee koppelcondensators in plaats van één voegt een additionele graad veiligheid toe, helpend om de eenheid te isoleren van enige (hoge) DC spanning. Zelfs zonder de extra condensator, zou de interne transformator van de detector voldoende elektrische isolatie moeten bieden voor uw veiligheid bij het gebruik ervan om signalen in een hoge‑spanningscircuit als dit te testen, zeker als u uw detector gebouwd heeft met een 120‑volt krachttransformator (in plaats van een "audio uitgang" transformator) zoals voorgesteld.

Gebruik het om te testen op een goed signaal aan de invoer, dan aan de grid pin(s) van de buis, dan aan de plaat van de buis, etc. tot het probleem gevonden is. Omdat het capacitief gekoppeld is, is de detector ook in staat om te testen op overmatige voeding "zoem:" raak de vrije meetleiding aan de voeding's B+ terminal en luister naar een luid 60 Hz bromgeluid.

Het geluid zou zeer zacht moeten zijn, niet luid. Als het luid is, is de voeding niet voldoende gefilterd en kan additionele filtercapaciteit nodig hebben. Na het testen van een punt in de versterkerschakeling met hoge DC spanning ten opzichte van grond, kunnen de koppelcondensatoren op de detector aanzienlijke spanning opbouwen.

Om deze spanning te ontladen, raak de vrije meetleiding kortstondig aan de gegronde meetleiding. Een "plop" geluid zou in de koptelefoons gehoord moeten worden als de koppelcondensatoren ontladen.

Als u liever een voltmeter gebruikt om de aanwezigheid van audio signaal te testen, kunt u dat doen, ingesteld op een gevoelig AC spanning bereik. De indicatie die u van een voltmeter krijgt, vertelt u echter niets over de kwaliteit van het signaal, alleen zijn blote aanwezigheid.

Houd er rekening mee dat de meeste AC voltmeters een transiënte spanning zullen registreren wanneer initieel aangesloten over een bron van DC spanning, dus wees niet verrast om een "piek" (een sterke, momentane spanning indicatie) te zien op het allerlaatste moment dat contact gemaakt wordt met de meetpennen van de meter aan het circuit, snel dalend naar de ware AC signaalwaarde. U mag aangenaam verrast zijn door de kwaliteit en diepgang van toon van deze kleine versterkerschakeling, gegeven de lage vermogensuitgang: minder dan 1 watt audio vermogen.

Natuurlijk is het circuit tamelijk primitief en offreert kwaliteit op voor eenvoud en onderdelenbeschikbaarheid, maar het dient om het basisprincipe van vacuümbuis versterking te demonstreren. Gevorderde hobbyisten en studenten kunnen willen experimenteren met bias netwerken, negatieve terugkoppeling, verschillende uitgangstransformatoren, verschillende voedingsspanningen, en zelfs verschillende buizen, om meer vermogen en/of betere geluidskwaliteit te verkrijgen.

Hier is een foto van een heel vergelijkbare versterkerschakeling, gebouwd door het echtpaar Terry en Cheryl Goetz, illustrerend wat er gedaan kan worden wanneer zorg en vakmanschap toegepast worden op een project als dit.